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    穿越隔震層的柔性管道連接
    更新時間:2023-07-21 14:41:35 字號:T|T
    針對給排水管道穿越隔震建筑的隔震層(溝)應設置柔性連接的要求,對不同的隔震建筑類型中給排水管道系統的受力及位移情況展開分析和研究,...

    針對給排水管道穿越隔震建筑的隔震層(溝)應設置柔性連接的要求,對不同的隔震建筑類
    型中給排水管道系統的受力及位移情況展開分析和研究,給出了不同條件下柔性連接節點的
    設置要求和計算方法。

    在建筑設計領域,目前結構專業對于建筑隔震的研究和實際應用較為成熟,機電專業在隔震建筑機電配套設計方面的研究相對滯后。其中給排水專業由于進出戶管線數量***多,各類給排水管線由于材質原因應對位移形變能力差,在隔震建筑設計中遇到的工程技術問題相對突出。

    《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010,以下簡稱“建筑抗震規范”)12.1.3條第4款規定:“穿過隔震層的設備配管、配線,應采用柔性連接或其他有效措施以適應隔震層的罕遇地震水平位移。”其條文解釋中特別提出“2008年汶川地震中,位于7、8度區的隔震建筑,上部結構完好,但隔震層的管線受損,故需要特別注意改進。”筆者結合隔震建筑項目的設計工作,對給排水管道穿越隔震層(溝)的技術措施進行研究和探討,旨在部分解決給排水專業在隔震建筑設計中遇到的問題。

    1 隔震建筑及其受力、位移分析

    隔震建筑是指采用隔震和消能減震設計的建筑。利用隔震層將地震運動輸入的能量部分轉移到隔震元件或減震構件上,提高建筑應對地震破壞的能力。隔震層一般是指在結構間沿水平方向設置隔震支座,目前常用的隔震支座有疊層橡膠支座、摩擦擺支座、彈性滑動支座、滾珠支座等。

    根據隔震層設置的位置,隔震建筑可以分為基礎隔震和柱頂隔震?;A隔震又可以細分為地下室底板隔震和地下室頂板隔震,在一層以上柱頂設置隔震層的又稱為層間隔震。

    根據建筑抗震設計的分析,建筑物遭受地震波帶來的破壞性位移主要是水平向??v向位移由于受到建筑自身剛度和地震波特性的影響,可不做考慮。

    隔震建筑在地震力的作用下,會在隔震支座的調節下做阻尼運動,在隔震層所在平面(X/Y平面)內產生相對位移,在Z軸方向不發生位移。其位移情況如圖1所示。圖1中D為建筑中隔震層上下對應點在阻尼運動中的相對位移。

    隔震建筑在地震力作用下產生的位移、位移的頻率及衰減形式等運動特性與建筑的結構形式、地震力的大小、隔震支座的類型、尺寸及性能參數等因素有關。

    在隔震建筑的結構設計中,建筑位移的******值由隔震支座的******允許位移確定。

    對于機電抗震設計,需要關注的是隔震建筑在地震力作用下會發生怎樣的位移以及這種位移的******值。隔震建筑在地震力作用下,會以隔震層所在平面為界,產生水平方向的相對位移,但無豎向位移。水平向位移的******值等于隔震支座的******允許位移。在工程實踐中,隔震建筑在地震力下的******位移值需要由結構專業提供,作為機電專業隔震設計的依據。目前隔震建筑中常用的隔震支座******允許位移一般在400 mm以內。

    2 給排水管線穿越隔震層需要解決的問題

    以上分析可以看出,穿越隔震層的豎向管線和進出建筑的橫管管線都可能會受到隔震層(溝)兩側相對運動的影響。建筑給排水專業進出建筑的橫管和建筑內部的立管類型多、數量大,而且一般布置相對分散。所以在隔震建筑的機電設計與施工中,給排水專業面臨的挑戰******。為******給排水管道系統在平時正常工作,在地震時可以適應隔震建筑在地震力下的相對位移,穿越隔震層的給排水管線需要設置合理有效的技術措施。為此筆者查閱了《建筑機電工程抗震設計規范》(GB 50981-2014,以下簡稱“機電抗震規范”),僅對機電工程設施的抗震、隔震設計標準提出了總體要求,沒有條文提及建筑內部機電管線穿越隔震層(溝)的具體技術措施。

    給排水管線穿越隔震層需要解決的問題是:在維持管道系統使用功能的前提下,設置柔性連接以適應所在建筑采用的隔震支座的允許******位移。筆者***隔震建筑中不同的隔震層設置位置對管線的影響進行梳理,可以歸納為以下兩種情況。

    2.1 立管(垂直管段)應對形變

    在地下室頂板隔震、柱頂隔震和層間隔震的建筑中,立管穿越隔震層,與隔震層平面垂直相交,立管上的a點和b點會在XY平面內產生相對位移D(見圖2)。地下室頂板隔震的建筑(見圖2a)中如果橫管的管道支吊架在隔震層上方結構頂板固定,應采用隔震支架,支架允許管道的自由位移應大于建筑采用的隔震支座允許的******位移。

     

    2.2 橫管(水平管段)應對形變

    在地下室底板隔震的建筑中,建筑內部管道沒有直接穿越隔震層,管道上的a點和b點相對位置始終固定。進出建筑的橫管位于與隔震層平行的平面內,垂直穿越與地下室外墻水平的隔震溝,橫管上的b點和c點會在XY平面內產生相對位移D(見圖3)。
    3 給排水管道穿越隔震層和隔震溝的補償措施

    目前,給排水管道應對相對位移可以采用的柔性連接,一般有金屬波紋管、橡膠軟管、套管伸縮器和它們的衍生產品,如波紋管伸縮節。不同柔性連接附件(以下統稱管道補償器)的補償能力與其制造材料的物理特性,直徑、長度以及壁厚等都有關系,金屬波紋管還與波紋管的波形、波距和波厚有關系。

    定性分析可以得出以下特點:金屬波紋管的軸向位移補償能力和角向位移補償能力較大;橡膠軟管的軸向位移補償能力很小,角向位移補償能力較大;套管伸縮器由于構造原因,只有軸向位移補償能力,無角向位移補償能力。

    以下討論中選用的管道補償器特性見表1。目前設計中常用的管道補償器安裝形式有2種(見圖4)。建議優先采用安裝方式(2),通過2個補償器的補償能力來應對隔震建筑在地震力作用下的位移。安裝方式(2)可以減少單個補償器需要承受的軸向補償和角向補償,有效提高柔性連接的******性。以下的分析計算也以安裝方式(2)為基礎展開。對于安裝方式(1)而言,單個管道補償器需要承擔安裝方式(2)中2個管道補償器和中間管段對應的補償要求。

     

     

    .1 給排水管道的補償器選用

    從表1可以看出,金屬波紋管同時具有軸向和角向補償能力,應對變形能力******,但由于自身的構造特性,只適用于給水管,不適用于重力排水管。對于重力排水管道,為了減少管道補償器對管道排水能力的影響,可以考慮采用橡膠軟管應對角向變形,采用套管伸縮器應對軸向變形。

    3.2 管道補償器補償形變分析

    從以上分析可以知道,給排水管道在穿越隔震層和隔震溝時需要應對的隔震位移可以分為以下兩種情況:立管(垂直管段)應對形變和橫管(水平管段)應對形變。以下對兩種情況的位移補償措施分別討論。

    3.2.1 立管(垂直管段)應對形變

    立管軸向垂直于隔震層平面,位于隔震層上、下兩側的管段在地震力作用下發生相對位移(見圖5)。通過在立管可能發生形變的位置安裝管道補償器應對形變(見圖6)。

    由于在地震力作用下,a點在XY平面內運動,垂直于XY平面的立管和補償器會產生角向位移和沿著兩個補償器之間傾斜管段的軸向位移。圖7中LB是指對應隔震建筑的******位移下,補償器之間直線管段的長度與兩個補償器沿傾斜直線管段的軸向位移之和(mm)。立管上兩個補償器之間安裝的直管段的***小長度應按式(1)計算確定:

    Lv=KDtanQ(1)

    式中 Lv——立管上補償器之間直線管段的長度,mm;

    D——隔震支座的******允許位移,mm;

    Q——補償器的角向位移,°,取補償器允許的******角向位移的40%~50%;

    K——安全補償系數,取1.2。

    補償器設計******軸向位移量應按式(2)計算確定:Lx=K2DsinQ-L(2)式中 Lx——補償器******軸向位移量,mm;

    K——安全補償系數,取2.0。

    對于金屬波紋管和橡膠軟接管,產品一般不提供******角向位移參數,可以通過材料的允許彎曲半徑和管段長度計算角向位移參數。圖8中弧長A為金屬波紋管或者橡膠軟接管的長度,管道由于發生彎曲造成的長度變化忽略不計。R為管道材料的允許彎曲半徑。a點為彎曲后管道下游端口對應的軸向,與管道對應的曲率圓周的相切點。補償器的角向位移可以按式(3)計算確定:

    Q=180AπR(3)

    式中 R——材料的允許彎曲半徑,mm;

    A——金屬波紋管或者橡膠軟接管長度,mm;

    π——圓周率,取3.14。

    綜合以上分析,立管柔性連接節點的安裝要求可以歸納如下:

    (1)管道補償器的類型選擇。立管應對形變過程中,管道補償器需要應對角向位移和極少量的軸向位移。結合給排水管道系統的水力特性,立管上管道補償器應按以下要求選用:①壓力給水立管可以采用金屬波紋管作為管道補償器;②重力排水立管可以采用橡膠軟管作為管道補償器;③壓力排水立管應優先采用橡膠軟管補償器,在管道內水壓超過橡膠軟管工作壓力的情況下,可以采用金屬波紋管作為管道補償器。

    (2)管道補償器的參數選擇。①對于管道補償器安裝方式(1)(見圖4a),管道補償器自身的長度應不小于Lv+2d,Lv按式(1)計算,同時管道補償器的允許軸向位移應不小于2Lx,按式(2)校核;②對于管道補償器安裝方式(2)(見圖4b),兩個管道補償器之間的直線管段的長度Lv應按式(1)計算,同時管道補償器的允許軸向位移Lx應按式(2)校核。

    (3)管道補償器的安裝要求。①為******管道補償器應對角向位移和軸向位移的安全性,管道補償器連接的兩根管道之間的軸向空隙應不小于連接管道的直徑(見圖9);②管道補償器與管道搭接長度應根據采用的連接方式的要求確定。

    3.2.2 橫管(水平管段)應對形變

    橫管軸向位于平行于隔震層的平面內,橫管的兩端在地震力下發生相對位移(見圖10)。通過在橫管可能發生形變位置安裝管道補償器應對形變(見圖11)。

    由于橫管位于平行于隔震層的平面內,管道受力形變的分析比之前立管與隔震層平面垂直的情況復雜,還需要考慮沿橫管軸向的形變。橫管軸向位于平行于隔震層的平面內。從圖12可以看出,在未受到地震力影響的情況下,橫管柔性節點中管道端點位于o點。在地震力作用下,該端點對應地震力下的******位移D會在XY平面內運動到以o為圓心,以D為半徑的圓周上的任意一點。圓周上有幾個特殊點位,當管道端點o運動到a點和c點時,橫管補償節點的補償狀態與立管垂直穿越隔震層的補償狀態******一致。對于立管穿越隔震層平面在地震力作用下的補償情況可以參見圖6示意,立管橫斷面在平行于隔震層的平面內可能的運動軌跡見圖13。結合圖12的分析,當橫管柔性節點的管道端點運動到a點和c點這兩點時,橫管柔性節點和立管柔性節點的形變情況******一致。以橫管端點運動到a點的狀態作為橫管柔性節點形變分析的基準狀態,展開后續討論。

    根據之前立管柔性節點的分析,Q是管道補償器的角向位移。應取補償器允許的******角向位移的40%~50%,以******管道補償器不發生塑性變形和滲漏。從圖14可以分析得出,當橫管節點在地震力作用下運動到圓周上的abc弧線和fdg弧線時,管道補償器的角向位移Qe均小于Q。當橫管節點在地震力作用下運動到圓周上的ahf弧線和對應的gc弧線時,管道補償器的角向位移Qe會大于Q。為了控制管道補償器的角向位移,可以采取延長兩個管道補償器之間直線管段的方式。h點是對應角向位移Q,與運動軌跡圓周的切點,此時對應需要的兩個管道補償器之間直線管段的長度******,記為Lh。即橫管上兩個補償器之間安裝的直管段的***小長度應按式(4)計算確定:

    Lh=KDsinQ(4)

    式中 Lh——橫管上補償器之間初始直線管段的長度,mm;

    D——隔震支座的******允許位移,mm;

    Q——補償器的角向位移,°,取補償器允許的******角向位移的40%~50%;

    K——安全補償系數,取1.2。

    與之前分析的立管柔性節點不同,橫管柔性節點還要考慮管道軸向在地震力作用下的形變補償。式(4)計算的Lh是指兩個管道補償器之間直管段未發生軸向拉伸或者壓縮情況下的初始長度。

    從圖15可以看出,管道端點o當運動到b點時,橫管節點需要應對******的軸向拉升,管道補償器無角向變形;當運動到d點時,橫管節點需要應對******的軸向壓縮,管道補償器無角向變形。橫管軸向的******位移補償量應按式(5)計算確定:Lx=±KD(5)式中 Lx——補償器******軸向位移量,mm;

    K——安全補償系數,取1.2。

    綜合以上分析,橫管柔性連接節點的安裝要求可以歸納如下:

    (1)管道補償器的類型選擇。橫管應對形變過程中,管道補償器需要應對角向位移和軸向位移。結合給排水管道系統的水力特性,橫管上管道補償器應按以下要求選用:①壓力給水橫管可以采用金屬波紋管作為管道補償器;②重力排水橫管可以采用橡膠軟管和套管伸縮器作為管道補償器;③壓力排水橫管應優先采用橡膠軟管和套管伸縮器作為補償器,在管道內水壓超過橡膠軟管和套管伸縮器工作壓力的情況下,可以采用金屬波紋管作為管道補償器。

    (2)管道補償器的參數選擇。①對于采用金屬波紋管的柔性連接節點(見圖15a),兩個金屬波紋管軸向中心之間的初始長度Lh應按式(4)計算,同時金屬波紋管的允許軸向形變應按±0.5Lx校核,Lx按式(5)計算;②對于采用橡膠軟管和套管伸縮器的柔性連接節點(見圖15b),兩個橡膠軟管之間安裝了套管伸縮器的直管段(在套管伸縮節未做軸向形變的初始狀態下)的長度Lh,按式(4)計算,同時套管伸縮器的允許軸向形變應按±Lx校核,Lx按式(5)計算。

    (3)管道補償器的安裝要求。①為******管道補償器應對角向位移和軸向位移的安全性,管道補償器連接的兩根管道之間的軸向空隙應不小于連接管道的直徑(見圖15);②管道補償器與管道搭接長度應根據采用的連接方式的要求確定。

    4 小結

    通過對隔震建筑中各種隔震層(溝)設置情況下給排水管道的受力和形變分析.對給排水管道穿越隔震層(溝)的技術措施總結如下:

    (1)給排水管道穿越隔震層和隔震溝時,應設置柔性連接措施。

    (2)柔性連接的設計目標是在******管道系統正常使用功能的前提下,適應隔震支座的允許******位移。

    (3)柔性連接中管道補償器的類型和安裝方式應根據管道和隔震層(溝)的空間關系和管道的水力特性選擇。

    (4)柔性連接中管道補償器的安裝要求應根據需要應對的隔震建筑位移補償量和管道補償器參數條件計算確定。

    (5)應根據隔震建筑的相對位移情況,合理選擇、綜合應用固定支架和隔震支架,隔震支架允許管道的位移應大于建筑采用的隔震支座的允許******位移。

    微信對原文有修改。原文標題:隔震建筑中給排水管道穿越隔震層(溝)的技術措施探討;作者:龔海寧;作者單位:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司??窃凇督o水排水》2019年第2期。

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